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Grünes Ammoniak: Klimafreundlicher Treibstoff

Alle reden von Wasserstoff, aber wussten Sie, dass Ammoniak als Energieträger und Treibstoff genauso gut geeignet ist? Der Wechsel von fossilen Brennstoffen zu grünem Ammoniak kann die Emissionen in der Schifffahrt und der Industrie drastisch senken.

Ulf Eriksen
Ulf Eriksen
Vice President, Hydrogen

Ulf Eriksen leitet bei Statkraft den Bereich "Grüner Wasserstoff".

Im Februar 2021 unterzeichnete Statkraft eine Absichtserklärung mit Yara International und Aker Horizons, um die Produktion von grünem Wasserstoff und grünem Ammoniak in der Anlage von Yara auf Herøya in Porsgrunn (Norwegen) zu beginnen.

Grünes Ammoniak wird aus grünem Wasserstoff erzeugt, und grüner Wasserstoff wird durch Elektrolyse mithilfe von Strom aus erneuerbaren Energien, in diesem Fall Wasserkraft, hergestellt.

Die beiden Partner bezeichnen diese Investition als eine der größten Klimaschutzinitiativen in der Geschichte der norwegischen Industrie. Zudem wird die Initiative dazu beitragen, einen neuen Industriezweig zu erschließen, die Energiewende voranzutreiben, neue Arbeitsplätze zu schaffen und Norwegen einen Wettbewerbsvorteil in der schnell wachsenden Wasserstoffbranche zu sichern.

„Der Hintergrund für die Zusammenarbeit ist das gemeinsame Ziel, eine neue, norwegische Branche zu etablieren und gleichzeitig einen Beitrag zur Minderung des Klimawandels zu leisten“, so Ulf Eriksen, Leiter des Bereichs "Grüner Wasserstoff" bei Statkraft.

„Wie viele andere ist auch Statkraft der Ansicht, dass sich die Herausforderungen der Energiewende nicht ohne den Einsatz von Wasserstoff meistern lassen. Die Welt braucht einen kohlenstofffreien Energieträger, der Öl oder Gas als Kraftstoff oder in industriellen Verbrennungsprozessen, die hohe Temperaturen erfordern, ersetzen kann. Sowohl in der Schifffahrt als auch in bestimmten Industriezweigen gestaltet sich die Vermeidung von Treibhausgasemissionen als äußerst schwierig. Diese Probleme lassen sich nur mit Wasserstoff lösen – entweder in Reinform oder gebunden in Ammoniak.“

Heutzutage wird Wasserstoff zur Herstellung von Ammoniak für Düngemittel verwendet, wie bei Yara in Porsgrunn, oder er wird zur Ölraffination eingesetzt. Dabei wird der Wasserstoff meist dort produziert, wo er auch benötigt wird. Ein Teil des Wasserstoffs wird auch im Transportwesen genutzt, aber diese Menge ist zurzeit eher gering. Das kann sich jetzt ändern.

Yara's factory facility on Herøya in Porsgrunn
Die Produktionsstätte von Yara auf Herøya in der Gemeinde Porsgrunn, Norwegen. (Foto: Yara International)

Wasserstoff gibt es in verschiedenen Farben

In den letzten Jahren hat Wasserstoff als Energieträger und als potenzieller Treibstoff für Schiffe und Fahrzeuge an Bedeutung gewonnen.

Wasserstoff selbst ist ein farbloses Gas. Wenn also von grauem, blauem und grünem Wasserstoff die Rede ist, bezieht sich dies auf den Herstellungsprozess. Derzeit handelt es sich bei dem handelsüblichen Wasserstoff fast ausschließlich um grauen Wasserstoff, der aus Erdgas produziert wird.

„Dies ist die preiswerteste Art, Wasserstoff zu produzieren, aber das Abfallprodukt ist CO2, daher ist es weder nachhaltig noch klimafreundlich“, erklärt Eriksen.

„Wird die Wasserstoffproduktion mit der Abscheidung und Speicherung von CO2 gekoppelt, entsteht blauer Wasserstoff. Diese Technologie ist momentan sehr teuer und setzt groß angelegte Projekte voraus. Bis zur Umsetzung der ersten Projekte zur Produktion von blauem Wasserstoff wird es deshalb wahrscheinlich noch mindestens fünf bis zehn Jahre dauern.“

Eriksen ist überzeugt, dass grüner Wasserstoff, der durch Elektrolyse mit erneuerbarer Energie hergestellt wird, in Zukunft der wichtigste und günstigste Weg sein wird, um umweltschonenden Wasserstoff zu erzeugen.

„Vermutlich wird der Bedarf sowohl an grünem als auch an blauem Wasserstoff in der Übergangsphase zunehmen, in der die Nachfrage nach reinem Wasserstoff sprunghaft ansteigt. Es ist jedoch zu erwarten, dass der grüne Wasserstoff nach und nach mit dem Ausbau der erneuerbaren Energien weltweit schließlich die Hauptrolle spielen wird. Da die Preise für erneuerbare Energien weiter sinken, rechnen wir damit, dass die Preise für grünen Wasserstoff bereits 2030 unter denen für fossilen Wasserstoff liegen werden.“

In seinem Low Emissions Scenario schätzt Statkraft, dass sich die Kosten für die Solarstromproduktion im Jahr 2050 halbiert haben werden. Im Bereich der Windenergie wird eine Kostensenkung von 40-45 Cent erwartet.

Klimafreundlicher Mineraldünger

Für die künftige Produktion von grünem Wasserstoff auf Herøya ist geplant, diesen nicht direkt zu nutzen, sondern ihn in Ammoniak (NH3) weiterzuverarbeiten. Wozu soll das gut sein?

„Es gibt verschiedene Gründe, grünes Ammoniak aus grünem Wasserstoff zu gewinnen“, meint Ulf Eriksen.

„Zunächst einmal lässt sich damit das graue Ammoniak in der heutigen Düngemittelproduktion ersetzen. Die Fabrik von Yara auf Herøya stößt jährlich 800.000 Tonnen CO2 aus. Das ist so viel wie 300.000 Autos, die mit fossilen Brennstoffen fahren. Die Verwendung von grünem Ammoniak als Düngemittel ist daher eine ausgezeichnete Klimaschutzmaßnahme und ein wichtiger Beitrag zu den Klimazielen, die Norwegen bis 2030 erreichen muss.“

Treibstoff und Energiespeicher

Ammoniak, das aus drei Wasserstoffatomen und einem Stickstoffatom besteht, kann wie reiner Wasserstoff sowohl als Energiespeicher als auch als Brennstoff für Brennstoffzellen verwendet werden. Als Treibstoff eignet sich Ammoniak besonders für den Schiffsverkehr auf Langstrecken.

„Der Schiffsverkehr ist für etwa zwei Prozent der weltweiten Treibhausgasemissionen verantwortlich, wobei 80 Prozent dieser Emissionen von Schiffen stammen, die Langstrecken fahren. Es gibt Überlegungen, reinen Wasserstoff als Treibstoff in Schiffen einzusetzen. Das Problem dabei ist jedoch, dass Wasserstoff in gasförmigem Zustand eine relativ geringe Energiedichte hat. Damit der Treibstoff für den Langstreckentransport mit einem Schiff ausreicht, muss der Wasserstoff im flüssigen Zustand gespeichert werden. Hierfür wird ein Aggregat zur Kühlung auf minus 253 Grad Celsius benötigt“, so Eriksen.

Aus diesem Grund ist Ammoniak die bessere Wahl.

„Ammoniak wird bereits bei minus 33 Grad Celsius flüssig, was die Produktion und den Transport als Treibstoff erheblich erleichtert. Außerdem ist die Energiedichte von Ammoniak in flüssigem Zustand höher als von Wasserstoff. Auch die Infrastruktur für Ammoniak ist bereits vorhanden, und Ammoniak ist günstiger bei der Herstellung, der Lagerung und dem Transport. Deshalb ist es nur schwer vorstellbar, wie flüssiger Wasserstoff mit Ammoniak für Langstreckenschiffe mithalten kann.“

Container vessel
(Photo: Shutterstock)

Vor- und Nachteile

Ammoniak hat allerdings auch seine Nachteile, denn die Substanz ist ein giftiges und ätzendes Gas mit stechendem Geruch. Andererseits hat dieser Geruch den Vorteil, dass ein Leck erkannt wird, lange bevor die Konzentration in der Luft eine Gefahr darstellt.

Wasserstoff ist zwar ungiftig, aber explosiv. In komprimierter Form ist die Substanz ein leichtes Gas und steigt schnell in der Luft auf, aber in flüssiger Form ist sie schwerer und stellt somit zusätzliche Anforderungen an die Sicherheitsvorkehrungen. Bei der Verbrennung von Wasserstoff entsteht ausschließlich Wasserdampf, während bei Ammoniak Stickoxide (NOx) freigesetzt werden.

„Stickoxide sind zwar eine Herausforderung, aber es gibt technische Lösungen, um das Problem weitestgehend in den Griff zu bekommen, z. B. mit einem Katalysator aus Ammoniak. Der größte Vorteil von Ammoniak ist, dass dessen Nutzung eine sinnvolle und praktikable Möglichkeit darstellt, die Treibhausgasemissionen der Schifffahrt zu reduzieren“, stellt Eriksen fest.

Riesiger Markt

Grünes Ammoniak hat ein enormes Marktpotenzial. Wenn alle Schiffe, die derzeit auf Langstrecken fahren, auf den Betrieb mit Ammoniak als Treibstoff umgerüstet werden, verbrauchen sie jährlich etwa 500–600 Millionen Tonnen Ammoniak. Dies entspricht dem Drei- oder Vierfachen der aktuellen weltweiten Ammoniakproduktion.

Norwegen hat die einmalige Gelegenheit, einen erheblichen Anteil an diesem Markt für sich zu gewinnen. Der direkte Zugang zu sauberer und erneuerbarer Energie, das umfangreiche und fundierte Know-how auf dem Gebiet der Wasserstoff- und Ammoniakproduktion sowie die bereits vorhandenen Anlagen und die Infrastruktur auf Herøya bilden die Voraussetzungen für einen zügigen Produktionsstart.

Yara, Statkraft und Aker Horizons gehen davon aus, dass das Vorhaben innerhalb von fünf bis sieben Jahren umgesetzt werden kann – vorausgesetzt, auf Herøya ist der erforderliche Strom verfügbar und die Behörden genehmigen das Projekt.

Ammonia molecule
Ammoniak hat die chemische Bezeichnung NH3. Ein Ammoniakmolekül besitzt ein Stickstoffatom und drei Wasserstoffatome. (Illustration: Shutterstock)

Wachsende Produktion, sinkender Preis

Momentan ist es noch teurer, grünen Wasserstoff mit erneuerbarer Energie herzustellen als grauen Wasserstoff aus Erdgas. Ulf Eriksen ist jedoch der Meinung, dass sich dies ändern wird. Dann werden grüner Wasserstoff und grünes Ammoniak künftig auch im Hinblick auf den Preis wettbewerbsfähig sein:

„Durch mehr Produktionsanlagen und die zunehmende Verfügbarkeit von erneuerbarer Energie werden die Kosten für die Herstellung von grünem Wasserstoff sinken. Gleichzeitig werden durch die höheren Preise für CO2-Zertifikate alle Arten von fossilen Brennstoffen teurer. Folglich wird der Preis für grauen Wasserstoff steigen, während grüner Wasserstoff immer billiger wird“, so Eriksen.

Fakten über Ammoniak

Fakten zu Ammoniak

  • Ammoniak (NH3) wird heute hauptsächlich als Düngemittel genutzt.
  • Durch den hohen Wasserstoffanteil eignet sich Ammoniak als Brennstoff und Energieträger.
  • Flüssiges Ammoniak hat eine 1,5-mal höhere Energiedichte als flüssiger Wasserstoff und ist daher einfacher zu speichern und zu transportieren.
  • Grünes Ammoniak gilt als die beste CO2-freie Treibstoffalternative für den Langstreckentransport.
  • Grünes Ammoniak wird aus grünem Wasserstoff produziert, der mit erneuerbarer Energie hergestellt wird.
  • Yara International ist einer der weltweit größten Produzenten von Ammoniak. Die Ammoniakfabrik des Unternehmens auf Herøya in Porsgrunn, Norwegen, produziert jährlich 500.000 Tonnen Ammoniak.
Flüssig Energiedichte Spezifische Energie Siedepunkt
Ammoniak 12,7 MJ/Liter 18,6 MJ/kg -33,4 °C
Dieselöl 36,2 MJ/Liter 43,1 MJ/kg 180–380 °C
Wasserstoff 8,5 MJ/Liter 119,9 MJ/kg -252,87 °C
Propangas 26 MJ/Liter 46 MJ/kg -42 °C

Funktionsweise einer Brennstoffzelle

  • Eine Brennstoffzelle ist eine Batterie, die ein brennbares Element direkt in Strom umwandelt. Das brennbare Element kann Wasserstoffgas, Methanol oder Ethanol sein.
  • Eine Brennstoffzelle besitzt zwei Elektroden, die in einen Elektrolyten getaucht sind. Das brennbare Element, zum Beispiel Wasserstoff, tritt in eine der Elektroden (den Minuspol) ein und gibt dort Elektronen ab. Gleichzeitig reagiert das Element im Elektrolyten unter Bildung von H+-Ionen. An der anderen Elektrode (dem Pluspol) wird Luft oder Sauerstoff zugeführt, wodurch die Elektrode Elektronen (Strom) abgibt. Der Sauerstoff wird reduziert, sobald sich im Elektrolyten OH-Ionen bilden und mit den H+-Ionen reagieren, wobei Wasser entsteht.
  • Brennstoffzellen haben einen ausgesprochen hohen Wirkungsgrad. Ein Verbrennungsmotor hat einen energetischen Wirkungsgrad von etwa 35 Prozent und eine Dampfturbine von etwa 50 Prozent, wohingegen eine Brennstoffzelle einen theoretischen maximalen energetischen Wirkungsgrad von nahezu 100 Prozent aufweist. Heute gilt jedoch ein Wirkungsgrad zwischen 50 und 60 Prozent als ein gutes Ergebnis.

Quelle: Store Norske Leksikon